壓力焊接管道結(jié)構(gòu)有限元分析及設(shè)計施工建議

李從偉，董 劍

（廣西廣投燃氣有限公司，廣西 南寧530028）

0 引言

壓力管道施工是城鎮(zhèn)燃氣建設(shè)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，尤其對于加氣站，其壓力等級較高（設(shè)計壓力為25 MPa），若施工工藝不當(dāng)，將可能出現(xiàn)較大的使用風(fēng)險。目前加氣站壓力管道使用材質(zhì)多為奧氏體不銹鋼，其工藝聯(lián)結(jié)的主要方式為焊接。焊接具有施工方便、力學(xué)性能穩(wěn)定、綜合效益好等諸多優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但隨著加氣站和城鎮(zhèn)燃氣網(wǎng)絡(luò)的加大布局，壓力焊接管道的工況差別很大，不僅要考慮管道的壓力荷載，還要考慮焊接工藝和空間布局的影響，這對壓力管道性能可靠、牢固的要求逐步提高。特別是近幾年來，壓力管道爆炸和泄露事故時有發(fā)生，例如2018年6月貴州中石油天然氣輸氣管道晴隆沙子段發(fā)生爆炸泄露事件；2018年9月美國馬薩諸塞州波士頓燃氣管道爆炸等，因此，對壓力焊接管道進行結(jié)構(gòu)分析，在圖上作業(yè)基礎(chǔ)上進行主要受力和變形分析，提高其安全性能勢在必行。

國外對壓力管道的研究已經(jīng)形成了一整套較成熟的理論方法，已應(yīng)用于機場、酒店、展覽等場合，國內(nèi)也開始出現(xiàn)對燃氣焊接管道的研究，如王建平等對高密度聚乙烯塑料壓力管道熱熔焊接進行有限元分析[1]，于心瀧對管線鋼在役焊接接頭應(yīng)力分析研究[2]，蔣誠航對含未焊透缺陷工業(yè)壓力管道的極限承載能力研究[3]。但總體上，還沒有研究實現(xiàn)對壓力管道焊接工藝的整體有限元分析，并在此基礎(chǔ)上確定其使用薄弱環(huán)節(jié)。

結(jié)構(gòu)有限元分析是利用計算機對結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形、應(yīng)力等進行離散數(shù)值計算的現(xiàn)代方法[4]，其通過對各類工程結(jié)構(gòu)的進行動靜力分析，計算結(jié)果與實際情況比較吻合，具有廣泛適用的特點。因此，系統(tǒng)地運用結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)對壓力焊接管道設(shè)施進行整體分析，能夠提高結(jié)構(gòu)的牢固性、耐久性，防止產(chǎn)生冗余設(shè)計和設(shè)計浪費。

本文以某加氣站經(jīng)常發(fā)生故障的壓力焊接管道段為例，通過分析確定出了各種自然狀況下結(jié)構(gòu)的承載方式、載荷數(shù)據(jù)；然后利用ANSYS軟件對其結(jié)構(gòu)進行有限元分析，重點關(guān)注焊接處工況應(yīng)力，以發(fā)現(xiàn)較大的危險點，為結(jié)構(gòu)加固提供依據(jù)。

1 某壓力管道的結(jié)構(gòu)載荷

1.1 壓力管道的結(jié)構(gòu)

某壓力管道屬于工藝報警放散管道（DE40），其走向如圖1所示，在使用過程中焊縫經(jīng)常發(fā)生脫焊產(chǎn)生泄漏，需要進行結(jié)構(gòu)和工藝改進。

圖1 壓力管道焊接圖

該部分管道起初由三根管道焊接而成，由于空間受限，在焊接時使用外力驅(qū)使管線焊接在一起，使用中因焊縫及內(nèi)部高速氣流的共同作用，經(jīng)常脫焊造成泄漏（即圖1中1標(biāo)識的部位）。

1.2 結(jié)構(gòu)載荷的確定

根據(jù)實際分析知，該焊接管道主要承受自身的自重載荷、內(nèi)部介質(zhì)均布荷載以及因空間受限而產(chǎn)生的安裝偏移荷載和焊接工藝造成的應(yīng)力集中等荷載情況?？臻g布局導(dǎo)致的工藝偏移一般在2 cm以內(nèi)，材質(zhì)一般取Q345，鋼管許用應(yīng)力不應(yīng)大于220 MPa。焊接工藝影響按等強度設(shè)計執(zhí)行。

2 結(jié)構(gòu)的有限元分析

ANSYS軟件融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體，其能夠?qū)贑AD、PRO/E等圖紙的作業(yè)進行核算，通過初步分析找出設(shè)計方案的危險點及變性較大的地方，并根據(jù)現(xiàn)場情況對危險部位進行修改和復(fù)測復(fù)核，來降低從圖紙作業(yè)和模型試制的勞動強度，提高智能設(shè)計的實用性[5]。以下采用ANSYS對該壓力管道進行作業(yè)危險點分析。

為完成本文壓力焊接管道結(jié)構(gòu)有限元分析，需要完成該焊接壓力管道工況載荷的確認和處理、分析模型的建立、結(jié)構(gòu)有限元分析計算和危險點的優(yōu)化復(fù)核等四方面的內(nèi)容。

2.1 有限元分析的建模

利用ANSYS的造型工具，將主要結(jié)構(gòu)形狀與構(gòu)件尺寸簡化處理，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置為設(shè)為可變參數(shù)，完成了結(jié)構(gòu)的參數(shù)化造型[6-7]。采用shell63板單元對結(jié)構(gòu)進行有限元處理，該模型具有26 191個節(jié)點，25 866個單元，該結(jié)構(gòu)進行離散后結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 案例壓力管道的離散結(jié)構(gòu)

2.2 各種載荷下的加載分析

根據(jù)1.2節(jié)的實際情況將載荷及約束施加到有限元模型，通過ANSYS分析軟件分析，得到安裝偏移情況下整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況如圖3所示。

圖3 安裝偏移情況下全局應(yīng)力分布云圖

如圖3所示，最大變形出現(xiàn)在強力扭曲處，最大應(yīng)力出現(xiàn)右側(cè)角行焊接處，為局部應(yīng)力集中。經(jīng)驗證，輸送介質(zhì)壓力對管道本身不會造成大的傷害，但因空間限制造成的安裝偏移和因焊接造成的咬邊、氣泡等，實際降低了焊接處的材料強度，會造成極大的應(yīng)力集中，有限元分析證實了這點。

因此，在最大應(yīng)力處使用彎頭，在等次大應(yīng)力處接入三通結(jié)構(gòu)件，相當(dāng)于變相增加了原較大應(yīng)力處的厚度，減少了應(yīng)力集中點，結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力降低。如圖4所示，本管道在增加彎頭等結(jié)構(gòu)件后的全局最大應(yīng)力降為原來約50%，應(yīng)力分布更為均勻。

圖4 增加彎頭等架構(gòu)件后全局應(yīng)力分布云圖

進行結(jié)構(gòu)分析后，根據(jù)空間布置更換成三通連接（結(jié)果如圖1中2所示部位），避開了最大應(yīng)力處施焊，解決了泄漏點。

3 對壓力管道設(shè)計、施工的建議

由分析結(jié)果可知，輸送介質(zhì)壓力對結(jié)構(gòu)整體性能影響較小，除因建模引起的集中應(yīng)力外，焊接工藝質(zhì)量和安裝偏心，對結(jié)構(gòu)影響巨大，容易引起局部大應(yīng)力集中，這對壓力管道設(shè)計和施工提出了新要求：

3.1 設(shè)計方面

（1）壓力管道設(shè)計要按設(shè)計規(guī)范執(zhí)行，涉及復(fù)雜空間時，要使用有限元等方式進行分析驗證來提高可靠性和得出改進方法，同時要出具施工平面布置圖，還要根據(jù)環(huán)境出具空間布置圖。

（2）管道聯(lián)結(jié)材質(zhì)要和母材同一批次，避免電化學(xué)影響。

（3）同一壓力管道線路避免多次變徑。

（4）在最大應(yīng)力處使用彎頭，在等次大應(yīng)力處接入三通結(jié)構(gòu)件。

3.2 施工方面

（1）嚴格按照圖紙設(shè)計和施工規(guī)程要求開展工作施工，焊接人員須具備專業(yè)的技術(shù)水平和開焊前的環(huán)境識別。對復(fù)雜施工可借助于互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)技術(shù)來進行在線和增強型指導(dǎo)。

（2）施工單位的施工資質(zhì)應(yīng)符合等級壓力管道要求，并具備等級壓力結(jié)構(gòu)的施工焊接經(jīng)驗，施工焊接過程應(yīng)同步留存焊接自檢報告?zhèn)洳椤Ω邏汗艿篮缚p要求100%拍片，以減輕焊縫質(zhì)量對使用影響。

（3）施工單位內(nèi)部應(yīng)安排專業(yè)人員完善管道施工的工藝評價工作，過程中多使用成型三通、彎頭工藝件等，避免在應(yīng)力集中處焊接，避免假焊、虛焊和脫焊，并注意焊接時氣候條件影響。

（4）做好管道焊縫處的防銹涂層和陰極保護工作。

（5）施工過程中應(yīng)有監(jiān)理和當(dāng)?shù)刭|(zhì)監(jiān)站的參與，材料和施工質(zhì)量應(yīng)符合驗收標(biāo)準。

其次，在管理上，應(yīng)加強對管道的生命周期管理，增強對施工設(shè)計、施工過程的資料（尤其是焊縫部分）的留存管理，便于維修和檢測。

4 總結(jié)及展望

通過對壓力焊接管道的荷載分析及結(jié)構(gòu)的簡化，利用ANSYS軟件完成了結(jié)構(gòu)的建模；將工況下的載荷施導(dǎo)入分析模型，得出工況下的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布，為壓力管道設(shè)計、施工提供一定的理論支撐。下一步可以進行振動動載荷情況下的對比分析、焊縫局部調(diào)整對結(jié)構(gòu)變形的影響等方面展開研究。